本项工作是迄今在珠江三角洲经济区开展的最为系统的一项综合性调查工作, 通过对区域内土壤、河流沉积物、近岸海域环境地球化学质量状况进行的全面调查和系统评价, 取得了一系列创新性成果。如国内突破性实现了多目标区域地球化学样品71项指标测试, 制订了国内首例土壤环境质量地方标准; 首次在国内针对完整的经济区完成了多介质、多指标、多系统、多时域的立体式生态地球化学调查, 获得430多万条高精度测试数据, 查明了区域地球化学特征, 建立了元素系列基准值和背景值, 估算了土壤碳储量, 获得预测轻稀土资源量(334?)665万吨; 系统开展了农田、城市、浅海、河流等生态系统的地球化学评价, 查明了主要异常元素来源、迁移转化途径, 定量计算了土壤镉、铅、汞等异常元素自然源和人为源贡献量; 提出区域土壤质量受地质地球化学背景控制, 珠江三角洲形成演化过程, 特别是海侵过程导致Cd、Cu、Pb、Zn、F等元素呈区域高背景分布的新认识; 建立了典型特色优质农产品产地的地质地球化学模型, 圈定了绿色、无公害农产品适宜生产区, 圈定优质富硒土壤区11 677 km², 提出了海洋渔业和现代农业发展区划; 剖析了顺德肝癌和四会鼻咽癌高发区的生态地球化学特征, 提出了低Mn、Mo、Se和高亚硝基化合物协同致癌的新认识; 对土壤重金属元素建立了时空定量预测模型和预警体系, 以2005年为基准年, 预测未来20年内, 土壤As、Cd有重污染以及高生态风险, Hg、Zn有中污染以及中等生态风险; 研发了生态地球化学调查评价信息系统, 实现了海量数据的信息化、系统化、网络化管理。

(1) 获得了调查区多介质、多指标的高精度生态地球化学调查数据, 为地学、农学、环境学及其他相关领域的工作提供了重要的基础资料。

采用双层网格化采样, 系统采集了珠江三角洲经济区表层和深层土壤、河流沉积物、近岸海域沉积物样品55 512件, 在国际上首次实现多目标区域地球化学样品71项指标的测试; 查明了珠江三角洲主要环境介质中元素的自然本底和现实含量及其区域分布特征, 建立了各地质背景、地貌类型、土地利用方式和行政区、流域的土壤、沉积物等71种元素和指标的地球化学基准值和背景值(相关成果见文献[6])。编制了表层、深层土壤与沉积物71项指标的地球化学系列图, 精准刻画了71项指标的区域空间变化(图2)。圈定可供进一步普查找矿综合异常40处、找矿远景区18处, 获得轻稀土预测内蕴经济资源量(334?)665.41万吨, 潜在经济价值达18.47亿元。

图2

Fig.2

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	图2 表层、深层土壤(沉积物)镉元素地球化学图Fig.2 Geochemical map of cadmium in surface and deep soil (sediment)

(2) 系统开展了农田、城市、浅海、河流等生态系统地球化学评价, 查明了主要异常元素来源、迁移转化途径, 为珠江三角洲资源利用和生态环境建设提供了科学依据。

以农田、城市、河流、浅海等生态系统为评价单元, 以元素在大气— 水体— 土壤— 生物体循环迁移为主线, 以元素输入输出通量和地球化学行为为重点, 以动态的、演变的和历史的观点研究元素表生地球化学行为及其对生态系统的影响, 建立了系统的异常成因追踪、迁移途径研究、生态效应评价和发展趋势预警预测的方法技术体系与模型。结果显示, 地质地球化学背景控制了区域土壤质量, 局部地区受人类活动和地质背景双重制约, 珠江三角洲平原区Cd、Cu、Pb、Zn、F等元素呈区域高背景分布, 为珠江三角洲形成演化过程中, 由西、北江从上游携带大量的富含Cd、Cu、Pb、Zn、Cr等物质, 在珠江三角洲地区受水动力影响而沉积形成, 尤其海陆交互作用强烈的沉积环境有利于这些元素聚集富集^[7]。并估算了珠江水系主要支流元素年通量及其对三角洲平原区河道环境元素的输送量和贡献率(图3, 表1); 系统分析了大气干湿沉降、施肥、灌溉、农药等外源污染途径, 获得了各种外源污染途径重金属元素的输入与输出通量^[8], 确认大气干湿沉降和灌溉水是农田生态系统Cr、Cd、Zn、Ni、Pb、Hg、Cu的主要输入途径, 施肥是F的主要输入途径。 珠江三角洲经济区全年降尘通量介于11.68~1 875.21 g/(a· m²), 平均为86.8 g/(a· m²)。工业区、新开发区、城市人口密集区、交通繁华区降尘量较高, 城市外围以及区域大片农业和植被覆盖区降尘量较低。区内干湿沉降物重金属元素含量较高, 对土壤环境质量有重要影响。降尘中重金属与区内工业及交通密集段关系密切。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同来源带入的元素量占外源输入元素总量的比例 Table 1 The ratio of elements from different sources to the total exogenous input elements 比例/% Cr Cd Zn Ni Pb As Hg Cu F 大气 80.76 85.76 67.55 22.66 22.86 66.44 67.04 57.22 31.19 灌溉水 13.17 12.28 29.97 75.39 72.30 26.02 23.09 38.87 18.80 化肥 5.93 1.95 2.47 1.95 4.72 7.59 8.81 3.90 50.01 农药 0.15 0.003 0.001 0.006 0.003 0.015 0.010 0.011 0.002 比例/% Se Mn Mo Mg Ca K P N 灌溉水 95.40 95.07 84.51 65.74 57.10 17.24 5.59 4.70 化肥 3.07 4.93 14.95 34.22 42.84 82.75 93.48 95.30 农药 0.01 0.01 0.06 0.04 0.06 0.01 0.93

表1 不同来源带入的元素量占外源输入元素总量的比例 Table 1 The ratio of elements from different sources to the total exogenous input elements

图3

Fig.3

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	图3 珠江水系携带进入珠江三角洲平原区的重金属元素年通量Fig.3 The annual flux of heavy metal elements carried into the Pearl River Delta Plain by the Pearl River system

(3)系统查清了区域土壤环境质量家底, 特色农业发展潜力巨大, 局部地区存在环境隐患较为严重。

调查结果表明, 珠江三角洲经济区土地环境质量整体尚好, 特色农业发展潜力较大^[9]。区内土壤环境质量以一级和二级土壤为主, 占总面积的77.2%, 适宜发展无公害农产品和绿色农产品的产地面积所占比例分别达82.5%和52.4%。同时发现珠江三角洲经济区拥有得天独厚的富硒土地资源。在区内圈定11 677 km²优质富硒土壤, 并开展了典型富硒土壤开发利用评价与实验研究^{[9, 10]}。通过台山地区试点应用, 成功开发了省内第一例天然富硒品牌— — “ 珍香牌” 富硒大米, 近三年仅台山粮油购销公司累积增收达1 750万元, 潜在经济效益达3.8亿元, 表明珠江三角洲经济区开发富硒农产品、发展高效农业具有广阔前景。

在珠江三角洲经济区整体环境良好的同时, 也显露出环境堪忧的一面, 即三级和劣三级土壤占到珠江三角洲经济区总面积的22.8%, 珠江三角洲平原区存在着较为严重的环境问题。重金属元素异常广泛分布于广州— 佛山及其周边经济较为发达的地区(图4), 土壤环境质量属三级及劣三级, 主要超标元素为镉、汞、砷。而且部分植物营养元素较为贫乏。区内土壤钾、硫、铁、硼含量较丰富, 氮、钼含量适中, 磷、钙、镁、锰、锌含量较贫乏, 并提出了土壤施肥建议, 这为土地的合理使用、农产品的增产增收及土地资源的生态管护提供了科学依据。

图4

Fig.4

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	图4 土壤镉元素环境质量分级图Fig.4 Environmental quality grading map of cadmium in soil

(4)建立了典型特色优质农产品产地的地质地球化学模型, 开展了沙糖桔、优质稻、荔枝等优质农产品适宜性评价和适宜性种植区划, 圈定了绿色、无公害食品适宜生产区, 依托高精度地球化学调查数据, 实现了现代农业发展区划(图5), 进行了近岸养殖区生态地球化学评价和提出了浅海养殖规划建议, 为发展特色、优质、高效、生态、安全农业提供了重要依据。

图5

Fig.5

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	图5 珠江三角洲经济区现代农业发展区划图Fig.5 Zoning map of modern agriculture in Pearl River Delta Economic Zone

(5)剖析了顺德肝癌高发区和四会鼻咽癌高发区环境介质的元素含量, 研究了其存在形态、来源、迁移、转化规律, 评估了不同环境介质中的污染程度及生态风险^[11]。研究发现, 顺德地区肝癌高发区生态环境中抗癌元素Mo、Mn较低, 该区特殊的海陆交互项沉积环境和特殊的基塘生态系统, 为土壤中高含量含氮化合物提供了丰富的物质来源(图6), 四会鼻咽癌高发区环境中放射性元素铀、钍较高, 抗癌元素硒、铜较低, 致癌物质含氮化合物较高, 两大要素协同作用是癌症高发的主要地球化学因素^[12], 为地方病综合防治提供了地球化学依据。

图6

Fig.6

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	图6 肝癌发病区氮来源及循环模式图Fig.6 Mode chart for source and circulation of nitrogen in liver cancer incidence area

(6)查明了珠江三角洲农业种植区、城市周边地区和主要河流底泥及河口沉积柱中有机污染物以及农作物中有机磷农药的分布规律和污染状况, 研究了有机污染物的来源和成因, 为区域有机污染防治提供了重要依据; 查明了重要U、Th地球化学异常区各种介质中放射性核素的含量、辐射水平、氡浓度, 在此基础上评价了全区U、Th环境地球化学质量, 为其他地区开展类似工作积累了经验。

(7)建立了珠江三角洲经济区土地质量地球化学评估体系。通过系统分析区域土壤、大气、灌溉水、农作物等介质中肥力指标、环境健康指标含量特征, 建立了珠江三角洲经济区省级土地质量地球化学评估体系, 划分了珠江三角洲经济区土地质量地球化学等级, 为实现土地管理从数量向质量管护和生态管护迈进提供了科学依据。

(8)实践了调查成果的基础性研究与科学探索。根据钻孔资料系统研究了珠江三角洲主要构造格局和沉积旋回元素分布特征。在沉积学分析的基础上, 结合重矿物、粒度和B、Ba、Sr等微量元素的指相特征, 将珠江三角洲晚第四纪划分出4个沉积旋回(表2)。元素地球化学演变特征清晰反映了珠江三角洲平原区晚第四纪以来存在3次海侵事件, 为珠江三角洲第四纪环境演化研究提供了重要依据。揭示了晚更新世以来珠江三角洲形成演化过程中元素的三维时空演化特征及不同区域沉积物中元素富集程度, 提升了珠江三角洲第四纪研究程度。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 珠江三角洲纵向沉积体系的元素含量特征 Table 2 Characteristics of element content invertical deposition system of the Pearl River Delta 沉积体系 沉积序列 元素含量 海侵/海退 沉积亚相 一级旋回 次级旋回 全新世沉积体系 Ⅱ 2 高 海侵 三角洲平原相/三角洲前缘相 低 局部海退 三角洲平原相 1 高 海侵 前三角洲/三角洲前缘 低 海退 河流相/风化阶段 晚更新世沉积体系 Ⅰ 2 高 海侵 三角洲平原相 1 低 海退 河流相

表2 珠江三角洲纵向沉积体系的元素含量特征 Table 2 Characteristics of element content invertical deposition system of the Pearl River Delta

系统计算了不同深度土壤碳储量和土壤碳密度。结果表明, 珠江三角洲经济区表层(0~20 cm)、中层(0~100 cm)、深层(0~180 cm)土壤有机碳密度分别为2 271.34 t· km^-2, 8 666.05 t· km^-2、13 722.73 t· km^-2, 其中农用地表层土壤有机碳密度为2 315.34 t· km^-2, 耕地表层土壤有机碳密度为2 488.68 t· km^-2, 远低于湖南、湖北、海南、河南等地区, 低于我国中东部9省区表层土壤有机碳平均碳密度(2 716.93 t· km^-2)^[13]。从其不同层位的分布来看(图7), 各层位有机碳密度分布较为相似, 高值区多分布于三角洲平原区, 尤其是土壤成土母质为海陆交互相沉积物的地区有机碳密度最高, 但表层土壤有机碳密度在平原区的分布变异性增大, 在经济发达的广州— 佛山一带明显降低, 这种分布特征反映了地表环境在人类高强度的改造下, 土壤有机碳大量释放。与20世纪80年代相比^[14], 珠江三角洲经济区表层土壤有机碳储量减少了约30%。

图7

Fig.7

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	图7 不同层位土壤有机碳密度分布图Fig.7 Distribution map of soil organic carbon density at different depth

(9)利用农业地质与生态地球化学调查数据, 制定了珠江三角洲经济区土壤环境质量地方性标准— — 珠江三角洲地区土壤重金属含量风险评价筛选值(DB 44/T1415— 2014) , 这在国内尚属首例。所建立的地方标准为珠江三角洲土壤环境质量评价及土地利用、农业发展区划与农产品质量、人居环境安全等领域提供了依据。

(10)针对土壤有毒有害重金属建立了空间定量预测模型和时间定量预测模型, 建立了预警体系, 从不同情景角度对区域土壤环境未来20年的演变趋势进行了预测, 以2005年为基准年, 预测未来20年内, 土壤As、Cd有重污染以及高生态风险, Hg、Zn有中污染以及中等生态风险, 并对可能产生的危害提出了预警。

(11)建立了完善的农业地质与生态地球化学调查评价数据库与信息系统, 实现了对海量数据的信息化、系统化管理, 主持开发了“ GIS通用框架系统” 、“ 生态地球化学调查数据管理系统” 、“ 生态地球化学调查数据分析系统” 、“ 生态地球化学评价及预测预警系统” 和“ 土地质量地球化学评估系统” 等5项计算机软件, 并获国家版权局颁发的计算机软件著作权登记证书, 为政府决策、社会不同专业领域共享、开发利用基础数据资料提供了信息平台。